[发明专利]单原子金属催化剂及其制备和在降解空气污染物中的应用

说明书

本发明具体涉及单原子金属催化剂及其制备和在降解空气污染物中的应用，该催化剂通过以下方法制备：(1)在空气/氧气气氛下，将介孔碳与二茂金属高温热处理，然后冷却，得到二茂金属负载的介孔碳；(2)在惰性气氛下，将步骤(1)中的二茂金属负载的介孔碳高温热冲击处理，洗涤，干燥，得到单原子金属催化剂。该方法简单，易于工业化，制得的催化剂，金属在碳表面呈现原子级分散，对空气污染物降解活性高。

技术领域

本发明属于催化剂合成领域，具体涉及一种单原子金属催化剂及其制备和在降解空气污染物中的应用。

背景技术

随着社会经济的快速发展，人民环保意识也在不断提高。甲醛等TVOC污染气体是具有刺激气味的有毒物质，对人体身体健康和空气质量造成了严重的危害，如何高效去除甲醛等TVOC污染气体具有重要意义。

茂金属是过渡金属与环戊二烯相连所形成的有机金属配位化合物，其具有独特的空间结构、电化学特性和催化活性。本发明利用茂金属的优良性质，通过高温还原，制备出能够高效去除甲醛、苯、TVOC等空气污染气体的单原子金属催化剂，其工艺简单，易于工业化。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种单原子金属催化剂的制备方法。

本发明的目的之二是提供上述单原子金属催化剂。

本发明的目的之三是提供上述单原子金属催化剂的应用。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种单原子金属催化剂的制备方法，包括如下步骤：

(1)在空气/氧气气氛下，将介孔碳与二茂金属高温热处理，然后冷却，得到二茂金属负载的介孔碳；

(2)在惰性气氛下，将步骤(1)中的二茂金属负载的介孔碳高温热冲击处理，洗涤，干燥，得到单原子金属催化剂。

优选的，步骤(1)中所述的介孔碳粒度为100-1000目，比表面积为500-1500m2/g，平均孔径为2.0-20nm；优选为介孔碳粒度为100-800目，比表面积为1000-1500m2/g，平均孔径为2-10nm。

优选的，步骤(1)中所述的介孔碳为富含空位缺陷的介孔碳，更优选为富含N和/或O掺杂的介孔碳。

优选的，所述富含空位缺陷的介孔碳中掺杂元素直接掺进碳骨架或与碳材料之间键连接。

优选的，步骤(1)中所述的二茂金属为二茂铁，二茂镍，二茂钴，二茂锇，二茂锰，二茂钌中的任意一种或多种。

优选的，步骤(1)中所述的二茂金属与介孔碳的质量比为1：50-1：1000，优选为1:50-100。

优选的，步骤(1)中所述高温热处理的温度为80-200℃，时间为10-120min；

优选为高温热处理的温度为100-200℃，时间为60-120min。

优选的，步骤(1)中所述介孔碳与二茂金属加热时，两者在同一反应器中距离为1-100cm，优选为1-10cm。

优选的，步骤(2)中所述的高温热冲击处理的升温速率为10000-100000K/s，最高温度为500-1500℃，加热时间为10-100毫秒；优选为升温速率为10000-50000K/s，最高温度为500-1000℃，加热时间为10-30毫秒。

优选的，步骤(2)中所述的所述的惰性气氛为氮气、氩气、氦气或它们的混合气。

上述方法制得的单原子金属催化剂，金属以单原子形式均匀分散在介孔碳表面，金属的含量为0.1-2wt％，以催化剂全量计。

上述方法制得的单原子金属催化剂可用于室温催化降解甲醛、苯、TVOC等空气污染物。